钢渣在水泥混凝土中的应用研究-宏艺

NationalhighandtechnologycompanyNationalenterprisetechnologycenterShandongacademicianworkstationPostdoctoralResearchInstituteCompanyBriefing公司简介一从混凝土角度看钢渣利用的价值1、钢渣的性质及应用现状2、水泥及混凝土技术传统观念的变革3、钢渣作为辅助胶凝材料的试验研究4、结语1、钢渣的性质及应用现状过烧水泥熟料熟料：1450℃钢渣：1650℃潜在活性（CaO、SiO2）高C2S，低C3S早期强度低后期强度高钢渣性质1、钢渣的性质及应用现状目前钢渣年产生量约1亿吨，累积堆存10亿吨，综合利用率仅30%。用作水泥混合材和混凝土掺合料有利于节能减排环境效益明显1、钢渣的性质及应用现状发达国家钢渣总体利用率相当高，已接近100%；但在水泥及混凝土方面的应用率还相当低。日本的钢渣在水泥生产中的利用率不到6%，美国在上世界90年代以前仅1%的水泥生产利用了钢渣，德国的钢渣基本用作集料。我国利用情况：2、水泥及其混凝土技术传统观念的变革2.1应用技术中的常见误区a、为满足快速施工的要求，过分追求水泥早强，忽视远期强度。b、为熟料强度在28天内发挥到极致，水泥磨得细了又细。片面地认为：“强度越高的水泥，才是优质水泥”。c、圈流粉磨水泥、产品颗粒分布集中，使用性能较差。d、把水泥作为“胶凝材料”和“混凝土强度”的唯一来源。片面追求早强带来的后果：水泥早期强度高，水化放热速度快且量多，导致混凝土内部温升高；冷却后，残余的温度应力较大，混凝土的抗裂性能下降。2、水泥及其混凝土技术传统观念的变革2.2混凝土技术发展的新趋势上个世纪六十年代，T.C.Powers基于自己对水泥石结构的假设及大量试验结果，提了反映水泥石强度与其孔隙率关系的胶空比公式：式中：R——水泥石强度；a0——水泥凝胶的固有强度，即凝胶体在孔隙率为O时的强度；n——实验常数，约为2.5-3;X——胶空比，即水泥凝胶在水泥石中的填充程度，大小为凝胶体体积与凝体体积加毛细孔体积及气孔体积之和的比值，主要与水灰比有关。nOXaR2、水泥及其混凝土技术传统观念的变革水泥外加剂的出现，使水泥生产与混凝土制备的传统观念悄然发生改变。高效减水剂的普遍使用，水泥粒子得到充分的分散，用水量大大减少，水泥潜能得到发挥，致使水泥石致密、孔结构和界面微结构得到很好的改善，从而使混凝土的物理力学性能有了很大的提高。配制高强混凝土不一定非得需要高强度的水泥，可以通过调整水灰比来达到需要的强度指标。使用减水剂前使用减水剂后2、水泥及其混凝土技术传统观念的变革现代混凝土在低水胶比条件下，混凝土的强度对胶凝材料强度的依赖性在降低，低活性掺和料得以广泛应用。胶凝材料不再是以水泥为唯一组分或绝对组分，而是由水泥和辅助胶凝材料（掺和料）组成。水泥及其混凝土的现代生产模式：1.在水泥厂实现胶凝材料（熟料、石膏、活性与非活性混合材料）一体化生产，2.在混凝土搅拌站实现水泥与矿物掺和料的合理匹配。1、单方混凝土的熟料用量较少2、与高效减水剂具有良好的相容性3、合理的早期强度、较高的后期和远期强度4、颗粒组成合理，高堆积密度，孔隙率最低。5、水化热小，体积稳定性好，耐久性高。优质混凝土的基本特征2、水泥及其混凝土技术传统观念的变革钢渣粉在拌制和施工阶段只有少量的物理吸水，基本不影响水泥或胶凝材料的需水性；对新拌混凝土的流动性影响小；养护过程自干缩性低；对减水剂的相容性好，影响小；基本不影响水泥硬化体内的碱度；体积变化小。钢渣粉作为水泥混合材料用，在水泥生产中可以节省熟料、实现优质水泥目标、提高远期强度，具有良好的使用性能及与混凝土外加剂的相容性；作为矿物掺合料应用于混凝土中具有较好的填充效应、活性效应、微集料效应，能改善混凝土的性能，使得混凝土更加密实、孔隙率低、耐久性好。优质的水泥混合材和混凝土掺合料钢渣钢渣粉辅助胶凝材料3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究3.1钢渣专用助磨增强剂的作用序号标准号标准名称1GB/T20491-2006用于水泥和混凝土中的钢渣粉2GB/T28293-2012钢铁渣粉分级标准需要参考的两个重要指标为活性和细度，山东宏艺科技股份有限公司研制的钢渣专用助磨增强剂可以提高钢渣粉磨效率及活性指标。钢渣作为辅助胶凝材料使用，目前可参考的标准有：助磨机理1、强度削弱理论2、颗粒分散理论3、薄膜假说4、颗粒流动性观点助磨组分含胺基、羟基、羧基的表面活性物质如醇胺类物质、木质素磺酸盐、聚乙二醇、复合多元醇等3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究掺量/%比表面积/(m2/kg)45μm筛余/%颗粒分布（体积百分比/%）3µm3~32µm32~60µm60µm032033.49.750.6526.1713.480.0538614.615.6257.9419.197.250.140511.714.7660.4817.926.840.1541013.015.1156.4419.768.69助磨效果掺加钢渣专用助磨剂后，细度明显下降。醇胺类物质加入到粉体中时，包覆在带电颗粒表面，消除了颗粒间的静电作用，阻止带电颗粒的相互结合，减少裂隙扩展所需应力，降低颗粒表面能，妨碍断裂表面的重新结合，阻止颗粒团聚。3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究激发增强机理：1、激发增强组份中“微量元素”能促使晶型表面造成缺陷或晶型结构发生改变，从而提高它们参与水泥水化反应能力。2、根据“缺什么补什么”原则，助磨剂组份中添加了钢渣不足的部分，弥补了某些混合材成分的缺失。激发增强组分水玻璃、氧化钙、有机酸、表面活性剂、硫酸盐、亚硝酸盐等3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究类别水泥胶砂强度/7d/28d/MPa受检胶砂强度/MPa/7d/28d/MPa活性指数/%7d/28d活性增加值/%7d/28d钢渣1+36.4/59.123.8/50.265/8515/10钢渣2+37.5/57.925.8/52.167/9011/13钢渣3+37.7/58.124.9/48.766/8413/12活性增加效果3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究3.2钢渣微粉在混凝土紧密堆积中的填充作用上个世纪末S．Tsivilis等学者明确提出，水泥中粒径＜3μm的颗粒应该＜10％，粒径3～30μm的颗粒应该在65％以上，粒径＞60μm和＜1μm的颗粒尽量减少。实际上这是从水泥的水化速率和水化程度角度提出的对熟料粒度分布的要求。从混凝土构件结构的致密性出发，最佳颗粒组成应符合紧密堆积状态的Fuller曲线。3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究水泥粒径/μm＜33～1010～323～32＞32RRSB曲线11.1424.2342.8067.0321.83Fuller曲线22.5013.9221.5735.4942.01不同理论下的水泥最佳颗粒组成3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究空隙率对混凝土强度影响很大，所有能够降低空隙率的措施都可以提高强度。如果尽量提高水化前水泥颗粒的堆积密度（减小堆积空隙率）可以降低用水量，从而降低水泥石的空隙率。同样可以减小空隙，提高混凝土的强度。辅助胶凝材料（SCM）就是以工业固体废弃物（副产品）或天然矿物为原材料，掺适合的助磨剂磨细加工后，制成不同粒径分布范围的水泥混合材料或混凝土矿物掺合料。它能够使胶凝材料颗粒的级配在一定程度上接近紧密堆积状态。3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究粒度(μm)矿渣钢渣抗压抗折抗压抗折3d28d3d28d3d28d3d28d4191.3145146.8178.3136107.584.491.34～8129.2156.888.2109.9-57.843.2-100.7-8.724～45-8.3143.9-57.2122.928.944.1-64.08.545～8013.2133.3-16.9105.4-359.4-49.423.9钢渣、矿渣相对于熟料的强度贡献率（%）3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究根据钢渣粉不同的粒径范围，可以分别作为高活性或低活性的辅助胶凝材料，也可以作为混凝土紧密堆积的填充料，改善远期强度。（1）细粒度区间钢渣、矿渣的胶凝能力和强度贡献均超过水泥熟料的；但中、粗粒度区间SCM的胶凝能力和强度贡献率均较低。（2）优化匹配原则：高活性SCM、水泥熟料及低活性SCM应分别置于复合水泥的细(8μm)、中(8~24μm)和粗粒度区间(24μm)。我们用25%的掺石膏的熟料粉、36%的掺助磨剂矿渣粉与39%掺助磨剂钢渣粉，配制成钢渣矿渣级配水泥，经检验，强度、凝结时间、需水性等接近P·O42.5级水泥；3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究试样标准稠度（%）凝结时间（min）抗折强度（Mpa）抗压强度（Mpa）初凝终凝3天28天3天28天P·O42.528.002533245.28.225.348.3试验样27.902683325.18.624.250.3采用沂东中联P·O42.5级普通硅酸盐水泥，辅助胶凝材料（SCM）为矿渣粉：钢渣粉=1:1复合而成。集料：细集料为天然河砂，表观密度为2730kg/m3，堆积密度为1500kg/m3，吸水率6.4%，细度模数2.8。粗集料为临沂碎石，表观密度为2740kg/m3，堆积密度为1600kg/m3，5~25mm连续级配，做混凝土测试。3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究并委托省质监站，根据JGB/T193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》进行了混凝土的抗冻性、抗水渗性、抗氯离子渗透性、抗碳化性、抗硫酸盐性及抗裂性等6个耐久性项目检测，结果均优于P·O42.5级水泥；试件编号混凝土配合比/（kg·m3）抗压强度/MPa水泥水砂石SCM外加剂7d28dS0490175770102004.941.550.9S13921727701020984.942.953.6S224517077010202454.940.648.7S3390170810101003.934.743.1S43121688101010783.936.546.9S519516581010101953.933.244.03、钢渣作为辅助胶凝材料的研究3.3钢渣在混凝土中的应用前景钢渣是炼钢产生的固体废弃物，原料来源广，目前市场价值有待进一步开发，因此利用普通混凝土搅拌站，开发附加值相对较高的辅助胶凝材料及混凝土掺合料，具有较高的经济价值和推广价值。其钢渣重混凝土可应用于：（1）海岸、河岸、沟渠堤防的迎水面、背水面，高水位或低水位，作为海工护坡使用；（2）桥墩、桥梁配重可以抵抗高速水流的冲刷，起到有效的消浪作用；（3）铁路基础、大面积路面基础、广场等需要高比重稳定基础的场合。（4）大体积、高密度、防射线泵送混凝土等特种混凝土。3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究4.结语由于水泥外加剂的出现，尤其是高效减水剂的普遍使用，使水泥生产与混凝土制备的传统观念悄然发生改变。钢渣虽然水化活性较低，在水泥、混凝土硬化过程中，只产生较少的水化产物，但在颗粒组成上改善水泥的早期强度、后期强度和远期强度。钢渣粉大量细颗粒填充于浆体孔隙中，使浆体结构较为均匀、密实，对混凝土强度提高起到了积极作用；浆体内部应力较小且分布均匀，从而改善了水泥浆体体积的稳定性和耐久性。欢迎各位专家和朋友考察指导!